Θέματα Σχεδιασμού PCB, Λύσεις και Βασικές Απαιτήσεις SMT

Η τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης (SMT) έχει φέρει επανάσταση στην κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών, επιτρέποντας μικρότερες, ταχύτερες και πιο αξιόπιστες συσκευές.Η ακρίβεια του SMT έχει αυστηρές απαιτήσεις σχεδιασμού, ακόμη και μικρές παραλείψεις μπορούν να οδηγήσουν σε ελαττώματα συναρμολόγησης.Από την τοποθέτηση των εξαρτημάτων μέχρι την εφαρμογή της πάστες συγκόλλησης,Κάθε πτυχή του σχεδιασμού PCB πρέπει να ευθυγραμμίζεται με τις δυνατότητες SMT για να εξασφαλιστεί η απρόσκοπτη παραγωγή και η βέλτιστη απόδοση.

Ο οδηγός αυτός προσδιορίζει τα κοινά θέματα σχεδιασμού PCB στην κατασκευή SMT, παρέχει λύσεις που μπορούν να εφαρμοστούν και περιγράφει τις κρίσιμες απαιτήσεις SMT.συστήματα αυτοκινήτωνΗ κατανόηση αυτών των αρχών θα μειώσει την αναδιαμόρφωση, τα χαμηλότερα κόστη και θα βελτιώσει την ποιότητα του προϊόντος.

Κοινά ζητήματα σχεδιασμού PCB στην κατασκευή SMT
Ακόμη και οι έμπειροι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν προκλήσεις κατά την βελτιστοποίηση των PCB για SMT.
1Ανεπαρκής διαφορά μεταξύ των εξαρτημάτων
Προβλήματα: Τα εξαρτήματα που τοποθετούνται πολύ κοντά μεταξύ τους (λιγότερο από 0,2 mm μεταξύ των άκρων) προκαλούν:
α.Συνδέσεις συγκόλλησης κατά την επανεξέταση (συνδέσεις μικρού κύκλου).
β.Δυσκολία στην αυτοματοποιημένη επιθεώρηση (τα μηχανήματα AOI δεν μπορούν να λύσουν στενά κενά).
γ. Κατεργασία κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας (απολυτρώνοντας ένα συστατικό υπάρχει κίνδυνος θέρμανσης γειτονικών μερών).
Βασική αιτία: Παραβλέποντας τις ανοχές των μηχανών SMT (συνήθως ± 0,05 mm για τα συστήματα pick-and-place) ή δίνοντας προτεραιότητα στη μινιατουριοποίηση έναντι της κατασκευαστικότητας.

2Κακή σχεδίαση.
Προβλήματα: Λάθος μεγέθη ή σχήματα των πλακών οδηγούν σε:
α.Ανεπαρκείς συγκόλλησεις συγκόλλησης (απόλειπτες συγκόλλησεις) ή πλεονάζουσα συγκόλληση (σφαίρες συγκόλλησης).
β.Κατασκευή από πέτρες (μικρά εξαρτήματα όπως οι αντίστοιχοι 0402 που απομακρύνονται από ένα πάτωμα λόγω της άνισης ροής συγκόλλησης).
c. Μειωμένη θερμική αγωγιμότητα (κρίσιμη για στοιχεία ισχύος όπως τα MOSFET).
Βασική αιτία: Χρησιμοποίηση γενικών προτύπων pad αντί των προτύπων IPC-7351, τα οποία καθορίζουν τις βέλτιστες διαστάσεις pad με βάση το μέγεθος και τον τύπο του συστατικού.

3. Ασύμφωνοι ανοίγματα με στίχους
Προβλήματα: Ανάλογα μεγέθη διαφάνειας προτύπου (χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή πάστα συγκόλλησης) οδηγούν σε:
α. Λάθη όγκου πάστας συγκόλλησης (πολύ λίγα προκαλούν ξηρές αρθρώσεις, πάρα πολλά προκαλούν γέφυρα).
β. Κακή απελευθέρωση της πάστες (μπλοκάρισμα των στίχων για εξαρτήματα λεπτής απόστασης, όπως BGA 0,4 mm).
Βασική αιτία: Αποτυχία προσαρμογής των ανοίξεων των προτύπων για τον τύπο του συστατικού (π.χ. χρησιμοποιώντας την ίδια αναλογία ανοίγματος για αντίσταση και BGA).

4Ανεπαρκή Πιστευτικά Σημάδια
Προβλήματα: Η απουσία ή η κακή θέση των εμπιστευτικών στοιχείων (δείκτες ευθυγράμμισης) οδηγεί σε:
α. Ακατάταξη των εξαρτημάτων (ειδικά για τμήματα λεπτής απόστασης όπως τα QFP με απόσταση 0,5 mm).
Β.Αυξημένα ποσοστά απορριμμάτων (έως 15% στην παραγωγή μεγάλου όγκου, ανά στοιχεία του κλάδου).
Βασική αιτία: Υποτίμηση της σημασίας των εμπιστευτικών στοιχείων για τα αυτοματοποιημένα συστήματα, τα οποία βασίζονται σε αυτά για την αντιστάθμιση της στρέβλωσης της σελίδας PCB ή της διαταραχής της ευθυγράμμισης των πάνελ.

5. Η θερμική διαχείριση παραβλέπει
Προβλήματα: Το να αγνοείται η διάχυση της θερμότητας στα σχέδια SMT προκαλεί:
Κούραση των αρθρώσεων της συγκόλλησης (τα στοιχεία υψηλής θερμοκρασίας όπως οι ρυθμιστές τάσης υποβαθμίζουν τη συγκόλληση με την πάροδο του χρόνου).
Απάτη στοιχείου (υπερβαίνοντας τις ονομαστικές θερμοκρασίες λειτουργίας των διασταυρούμενων συστημάτων).
Βασική αιτία: Χωρίς να συμπεριλαμβάνονται οι θερμικοί διάδρομοι κάτω από τα εξαρτήματα ισχύος ή η χρήση ανεπαρκούς βάρους χαλκού (λιγότερο από 2 ουγκιές) στα επίπεδα ισχύος.

6Ατυχίες στην ακεραιότητα του σήματος
Προβλήματα: Τα σήματα υψηλής ταχύτητας (≥ 100MHz) υποφέρουν από:
α. Διασταύρωση μεταξύ γειτονικών ίχνη (διαστήματα μικρότερα από 3x πλάτος ίχνη).
β.Αντιστοιχίες παρεμπόδισης (μη συμβατά πλάτη ίχνη ή παχύτητα διηλεκτρίου).
Ουσιαστική αιτία: Η αντιμετώπιση των PCB SMT ως σχεδίων χαμηλής συχνότητας, όπου η ακεραιότητα του σήματος είναι μια δεύτερη σκέψη και όχι προτεραιότητα σχεδιασμού.

Λύσεις για βασικά ζητήματα σχεδιασμού SMT
Η αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων απαιτεί συνδυασμό πειθαρχίας σχεδιασμού, τήρησης των προτύπων και συνεργασίας με τους κατασκευαστές.
1. Βελτιστοποιήστε το διαχωρισμό των συστατικών
α.Ακολουθήστε τις κατευθυντήριες γραμμές IPC-2221: Διατηρήστε ελάχιστη απόσταση 0,2 mm μεταξύ παθητικών στοιχείων (0402 και μεγαλύτερα) και 0,3 mm μεταξύ ενεργών στοιχείων (π.χ. IC).αύξηση της απόστασης σε 0.4mm για να αποφευχθεί η γέφυρα.
β.Συμπεράσματα για τις ανοχές της μηχανής: Προσθήκη μίας θωρακιστικής ζώνης 0,1 mm στους υπολογισμούς διαστήματος για την αντιμετώπιση των σφαλμάτων μηχανής επιλογής και θέσης.
c. Χρησιμοποιήστε τους κανόνες σχεδιασμού: ρυθμίστε το λογισμικό σχεδιασμού PCB (Altium, KiCad) για να σηματοδοτεί παραβιάσεις διαστήματος σε πραγματικό χρόνο.

2. Τυποποίηση σχεδίων Pad με IPC-7351
Η IPC-7351 ορίζει τρεις κατηγορίες pads (Class 1: consumer, Class 2: industrial, Class 3: aerospace/medical) με ακριβείς διαστάσεις.

α.Αποφύγετε τις εξατομικευμένες συσκευές: Οι γενικές συσκευές “ένα-μεγέθους-για-όλους” αυξάνουν το ποσοστό ελαττωμάτων κατά 20-30%.
β.Πακέτες κορυφής για διασυνοριακά συστήματα μικρής διαστολής: Για τα QFP με διαστολή ≤ 0,5 mm, οι άκρες των πλακιδίων κορυφής είναι 70% του πλάτους τους, ώστε να μειώνεται ο κίνδυνος γεφυρώματος.

3. Βελτιστοποιήστε τα Στένσελ Αpertures
Το μέγεθος του ανοίγματος του πρότυπου επηρεάζει άμεσα τον όγκο της πάστες συγκόλλησης.
α.Παθητικά εξαρτήματα (0402 ̇1206): Άνοιγμα = 80 ̇90% του πλάτους της πλάκας (π.χ. πλάτος 0402 ̇ 0,30 mm → άνοιγμα 0,24 ̇ 0,27 mm).
β.ΒΓΑ (0,8 mm διαφορά): Διαμέτρος διαφάνειας = 60·70% της διαμέτρου της θήκης (π.χ. 0,45 mm θήκη → 0,27·0,31 mm διαφάνεια).
c.QFN: Χρησιμοποιήστε ανοίγματα ′′dogbone′′ για να αποτρέψετε την έλξη της συγκόλλησης κάτω από το σώμα του κατασκευαστικού στοιχείου.
δ. Δύψος γραμματοσειράς: 0,12 mm για τα περισσότερα εξαρτήματα· 0,08 mm για τα εξαρτήματα λεπτής απόστασης (≤ 0,5 mm) για τη μείωση του όγκου της πάστες.

4. Εφαρμογή αποτελεσματικών εμπιστευτικών σημάτων
α.Επίθεση: Προσθέστε 3 fiducials ανά PCB (ένα σε κάθε γωνία, διαγώνια) για βέλτιστη τριγωνοποίηση.
β.Σχεδιασμός: Χρησιμοποιήστε σφαιρικούς κύκλους από χαλκό διαμέτρου 1,0 ∼ 1,5 mm με διαχωρισμό 0,5 mm (χωρίς μάσκα συγκόλλησης ή μεταξοειδές) για να διασφαλιστεί η ορατότητα.
γ.Υλικό: Αποφύγετε αντανακλαστικά φινίρισμα (π.χ. ENIG) στις ελεγχόμενες κάμερες, καθώς μπορεί να προκαλέσουν σύγχυση στις κάμερες AOI· προτιμάται HASL ή OSP.

5Βελτίωση της διαχείρισης της θερμότητας
α.Θερμικές διάδρομοι: τοποθετούνται 4 ̇6 διάδρομοι (0,3 mm διάμετρος) κάτω από τα στοιχεία ισχύος (π.χ. ρυθμιστές τάσης, LED) για τη μεταφορά θερμότητας στα εσωτερικά επίπεδα εδάφους.
β.Βάρος χαλκού: Χρησιμοποιήστε 2oz (70μm) χαλκού σε επίπεδα ισχύος για στοιχεία που διαλύονται > 1W· 4oz (140μm) για > 5W.
γ.Θερμικές πλάκες: Συνδέστε εκτεθειμένες θερμικές πλάκες (π.χ. σε QFNs) με μεγάλες περιοχές χαλκού μέσω πολλαπλών διαδρόμων για να μειωθεί η θερμική αντίσταση από τη σύνδεση με το περιβάλλον κατά 40~60%.

6Βελτιώστε την ακεραιότητα του σήματος
α.Ελεγχόμενη αντίσταση: Σχεδιασμός ίχνη για 50Ω (μονοτελή) ή 100Ω (διαφορετικό) χρησιμοποιώντας υπολογιστές (π.χ. εργαλείο Saturn PCB Toolkit) για τη ρύθμιση πλάτους ίχνη και πάχους διαλεκτρίου.
β.Διαχωρισμός ίχνη: Διατήρηση διαχωρισμού ≥3x πλάτος ίχνη για σήματα υψηλής ταχύτητας (≥100MHz) για τη μείωση της διασταύρωσης.
γ.Σπίτια εδάφους: Χρησιμοποιήστε στερεά επίπεδα εδάφους δίπλα στα στρώματα σήματος για να παρέχουν οδούς επιστροφής και ασπίδα κατά του EMI.

Βασικές απαιτήσεις SMT για το σχεδιασμό PCB
Η τήρηση των εν λόγω απαιτήσεων εξασφαλίζει τη συμβατότητα με τις διαδικασίες και τον εξοπλισμό παραγωγής SMT:
1. Υλικό PCB και πάχος
α.Υπόστρωμα: Χρησιμοποιήστε FR-4 με Tg ≥150°C για τις περισσότερες εφαρμογές· FR-4 υψηλής Tg (Tg ≥170°C) για αυτοκινητοβιομηχανική/βιομηχανική χρήση (αντιστέκεται σε θερμοκρασίες επανεξέτασης έως 260°C).
β.Δάχος: 0,8-1,6 mm για τα τυποποιημένα PCB· αποφύγετε <0,6 mm εκτός εάν είναι απαραίτητο (υποκλίνεται σε στρέβλωση κατά την επανεξέταση).
γ.Αποδοχή επιφάνειας: ≤ 0,75% (IPC-A-600 κλάση 2) για να διασφαλιστεί η σωστή επαφή των προτύπων και η τοποθέτηση των εξαρτημάτων.

2- Μασκέ και μεταξοπλέκτης.
α.Μάσκα συγκόλλησης: Χρησιμοποιήστε υγρή φωτοεικονιζόμενη μάσκα συγκόλλησης (LPI) με διαχωρισμό 0,05 mm από τα pads για την πρόληψη προβλημάτων προσκόλλησης της μάσκας συγκόλλησης.
β.Σίλκσεϊν: Διατηρήστε το σιλκσεϊν σε απόσταση 0,1 mm από τα πακέτα για να αποφευχθεί η μόλυνση κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης. Χρησιμοποιήστε λευκό ή μαύρο μελάνι (υψηλότερη αντίθεση για το AOI).

3Τελείωση επιφάνειας.
Επιλέξτε τα φινίρισμα ανάλογα με την εφαρμογή:

4. Πίνακες
α.Μέγεθος πίνακα: Χρησιμοποιήστε τυποποιημένα μεγέθη πίνακα (π.χ. 18x24) για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης της μηχανής SMT.
β.Αποσυνδεόμενες καρτέλες: Συνδέστε τα PCB με 2 ∆3 καρτέλες (2 ∆3 mm πλάτος) για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα κατά τη χειρισμό. Χρησιμοποιήστε V-scores (30 ∆50% βάθος) για εύκολη απομόνωση.
γ. Τρύπες εργαλείων: Προσθήκη 4·6 τρυπών εργαλείων (διάμετρος 3,175 mm) στις γωνίες του πίνακα για ευθυγράμμιση σε μηχανές SMT.

Έλεγχοι σχεδιασμού για την κατασκευαστική ικανότητα (DFM) για SMT
Η εξέταση DFM ̇ κατά προτίμηση από τον κατασκευαστή PCB ̇ εντοπίζει προβλήματα πριν από την παραγωγή.
1.Επιβεβαίωση βιβλιοθήκης συστατικών: Βεβαιώστε ότι τα αποτυπώματα αντιστοιχούν στα πρότυπα IPC-7351.
2.Σύγχρονση πάστες συγκόλλησης: Χρησιμοποιήστε λογισμικό (π.χ. Valor NPI) για την πρόβλεψη γεφυρών ή ανεπαρκούς πάστες.
3.Συμβατότητα θερμικού προφίλ: Βεβαιωθείτε ότι τα υλικά PCB μπορούν να αντέξουν τις θερμοκρασίες επαναρρίψεως (κορυφή 245 ∼ 260 °C για συγκόλληση χωρίς μόλυβδο).
4Πρόσβαση στα σημεία δοκιμής: Να εξασφαλίζεται ότι τα σημεία δοκιμής (0,8·1,2 mm διάμετρος) βρίσκονται ≥ 0,5 mm από τα εξαρτήματα για πρόσβαση στον ανιχνευτή.

Γενικές ερωτήσεις
Ε: Ποια είναι η πιο κοινή αιτία των ελαττωμάτων SMT;
Α: Κακή σχεδίαση των στρωμάτων (35% των ελαττωμάτων, σύμφωνα με τις μελέτες IPC), ακολουθούμενη από ανεπαρκή όγκο πάστες συγκόλλησης (25%).

Ε: Μπορώ να χρησιμοποιήσω συγκόλληση με μόλυβδο για να απλοποιήσω το σχεδιασμό SMT;
Α: Η συγκόλληση χωρίς μόλυβδο (π.χ. SAC305) απαιτείται από το RoHS στις περισσότερες αγορές, αλλά η συγκόλληση με μόλυβδο (Sn63/Pb37) έχει χαμηλότερη θερμοκρασία επαναρρόφησης (217°C έναντι 217°C).Η συγκόλληση με μόλυβδο δεν εξαλείφει θέματα σχεδιασμού όπως γέφυρες ή ταφόπλακες..

Ε: Πώς επηρεάζει το PCB warpage την συναρμολόγηση SMT;
Α: Η στρέβλωση > 0,75% προκαλεί άνιση εφαρμογή πάστες συγκόλλησης και δυσπροσαρμογή των εξαρτημάτων, αυξάνοντας τα ελαττώματα κατά 20-40%.

Ε: Ποιο είναι το ελάχιστο πλάτος ίχνη για τα PCB SMT;
Α: 0.1mm (4mil) για τις περισσότερες εφαρμογές. 0.075mm (3mil) για σχέδια λεπτής ακμής με προηγμένες δυνατότητες κατασκευής.

Ε: Πόσους θερμικούς διαδρόμους χρειάζομαι για ένα στοιχείο 5W;
Α: 8 ̇10 διάδρομοι (0,3 mm διάμετρος) με απόσταση 1 mm, συνδεδεμένοι με ένα επίπεδο εδάφους 2oz χαλκού, συνήθως επαρκούν για διάσπαση 5W.

Συμπεράσματα
Το σχεδιασμό SMT PCB απαιτεί ακρίβεια, τήρηση προτύπων και συνεργασία μεταξύ σχεδιαστών και κατασκευαστών.και θερμικής διαχείρισης και ικανοποίηση των βασικών απαιτήσεων SMT, μπορείτε να μειώσετε τα ελαττώματα, να μειώσετε το κόστος και να επιταχύνετε το χρόνο κυκλοφορίας.
Θυμηθείτε: Ένα καλά σχεδιασμένο SMT PCB δεν αφορά μόνο τη λειτουργικότητα, αλλά και την κατασκευαστικότητα.Η επένδυση χρόνου στις αναθεωρήσεις DFM και τη συμμόρφωση με τα πρότυπα IPC θα αποδώσει μερίσματα σε υψηλότερες αποδόσεις και πιο αξιόπιστα προϊόντα.